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Die Erfindung betrifft eine optische Sensoranordnung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem hinter einer ersten Seite einer Scheibe, insbesondere einer Fahrzeugscheibe, angeordneten optischen Sensor und einer zwischen dem optischen Sensor und der Scheibe angeordneten Strahlführungseinheit.
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Optische Sensoranordnungen, insbesondere Kameraanordnungen, sind im Bereich der Fahrzeuginformations- und Fahrzeugassistenzsysteme sowie im Bereich des autonomen Fahrens von essentieller Bedeutung. Insbesondere für die Umfelderfassung werden hierbei optische Sensoranordnungen verwendet, die im Fahrzeuginnenraum des Fahrzeugs hinter der vorderen Fahrzeugscheibe, der Windschutzscheibe, angebracht sind, da dort angeordnete optische Sensoren das Umfeld vor dem Kraftfahrzeug besonders gut erfassen können.
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Die vorderen Fahrzeugscheiben sind aus aerodynamischen Gründen oftmals in einem relativ flachen Winkel zum Horizont angeordnet. Dadurch werden auf die Fahrzeugscheibe eintreffende Lichtstrahlen sowohl beim Eintritt als auch beim Austritt aus der Fahrzeugscheibe stark gebrochen, wodurch zum einen die Konstruktionsweise und die Anordnung des optischen Sensors eingeschränkt werden. Zum anderen kann dies negative Auswirkungen auf eine Sensorbildqualität des optischen Sensors haben.
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Im bisherigen Stand der Technik werden beispielsweise Prismen derart zwischen einer Fahrzeugscheibe und einer Kamera angeordnet, dass ein Ablenkungswinkel eines Lichtstrahls beim Austritt aus dem Prisma möglichst klein ist. Eine derartige Kameraanordnung ist bereits aus der
DE 10 2011 009 075 A1 bekannt. Durch die Verwendung eines Prismas zwischen Fahrzeugscheibe und Kamera kommt es allerdings auf Grund von chromatischer Dispersion zu Farbfehlern im Kamerabild. Chromatische Dispersion beschreibt hierbei den Effekt, dass unterschiedliche Lichtanteile eines weißen Lichtstrahls, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, beim Durchqueren eines Prismas in unterschiedlichen Winkeln gebrochen werden. Dadurch werden unterschiedliche Farbanteile eines Lichtstrahls, die eigentlich auf einem gemeinsamen Punkt auf einer Kamerasensorfläche der Kamera auftreffen sollten, in unterschiedliche Punkte gebrochen.
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Im bisherigen Stand der Technik wird die Kameraanordnung daher derart konstruiert, dass der Strahlablenkwinkel des Prismas auf maximal 4° beschränkt wird und die Größe der Kamerapixel sowie die Brennweite der Kamera derart ausgewählt werden, dass die dispersionsbedingten unterschiedlichen Auftreffpunkte der Lichtanteile mit unterschiedlichen Wellenlängen auf die Sensorfläche weiterhin innerhalb eines Pixels liegen. Dies schränkt allerdings den Strahlablenkwinkel und damit die Kamerapose (Position und Lage) innerhalb der Kameraanordnung sowie die Abmessungen der Kamera erheblich ein.
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In 1A ist eine Seitenansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Kameraanordnung für ein Fahrzeug abgebildet. Eine mehrschichtige Fahrzeugscheibe 2 ist hierbei direkt vor einer Kamera 3, die sich im Fahrzeuginnenraum befindet, angeordnet. Des Weiteren sind die Grenzen des Sichtfelds der Kamera 3 mit durchgezogenen Linien abgebildet.
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In 1B ist hingegen eine Seitenansicht einer Kameraanordnung 1 abgebildet, bei der zwischen Fahrzeugscheibe 2 und Kamera 3 ein Prisma 4 angeordnet ist. Des Weiteren sind die Grenzen des Sichtfelds der Kamera 3 mit durchgezogenen Linien abgebildet. Vergleicht man die Darstellung der 1B mit der Darstellung der 1A wird ersichtlich, dass die Größe des Kamerafensters aufgrund der Verwendung eines Prismas drastisch reduziert wird. Dadurch verringern sich Störeinflüsse im Kamerabild, die durch die Fahrzeugscheibe entstehen können. Allerdings steht die Verwendung eines wie in 1B dargestellten Prismas mit standardmäßigen Glasmaterialien im Zusammenhang mit einer spektralen Streuung der Bildpunkte. Dies führt mindestens zu einem Verlust an Schärfe im Kamerabild. Darüber hinaus können Farbränder oder farbige Geisterbilder entstehen.
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Darüber hinaus ist eine Kameraanordnung aus der
US 7,322,755 B2 bekannt, in der ein oder mehrere Prismen zwischen einer Fahrzeugscheibe und einer Kamera angeordnet sind, wobei insbesondere auf die Befestigung der Kamera an der Fahrzeugscheibe eingegangen wird. Konstruktionsbedingt ist der erreichbare Strahlablenkwinkel des Prismas oder der mehreren Prismen sehr stark eingeschränkt, wodurch insbesondere die Kamerapose (Position und Lage) innerhalb der Kameraanordnung erheblich eingeschränkt wird.
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In der
WO 2009/147223 A2 wird eine Kameraanordnung beschrieben, bei der zwei Prismen derart angeordnet sind, dass die einander zugewandten Prismenflächen nicht parallel verlaufen und sich zwischen den Prismenflächen ein Gas, Gasgemisch oder Vakuum befindet. Hierdurch werden hohe Anforderungen an die Dichtigkeit der Kameraanordnung gestellt, da ansonsten, insbesondere bei Temperaturschwankungen, die Gefahr besteht, dass das Gas oder Gasgemisch entweicht oder Luft in das evakuierte Volumen zwischen den Prismenflächen eindringt, wobei sich dadurch die optischen Eigenschaften der Kameraanordnung verändern. Durch die erhöhten Dichtigkeitsanforderungen erhöhen sich die Kosten und der Herstellungsaufwand der Kameraanordnung.
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Aus dem bisherigen Stand der Technik wird somit ersichtlich, dass weiterhin keine zufriedenstellende technische Lösung für die oben umschriebene Aufgabe vorhanden ist, bei der keine erheblichen Einschränkungen gegenüber dem Strahlablenkwinkel und/oder der kamerainternen Abmessungen hingenommen werden müssen.
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Diese Aufgabe wird durch eine optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 gelöst.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch eine optische Sensoranordnung mit einem hinter einer ersten Seite einer Scheibe angeordneten optischen Sensor und einer zwischen dem optischen Sensor und der Scheibe angeordneten Strahlführungseinheit gelöst, wobei die Strahlführungseinheit derartiges Material aufweist und/oder derart konstruiert ist, dass diese eine geringe chromatische Dispersion aufweist, wobei ein Strahlablenkungswinkel von mindestens 10° einstellbar ist, wobei die Strahlführungseinheit mindestens ein Prisma aufweist, das aus einem Material gebildet ist, das eine Abbe-Zahl von mindestens 80 aufweist.
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Die chromatische Dispersion beschreibt, dass ein Medium für unterschiedliche Farbanteile eines weißen Lichtstrahls, der zumindest im Wesentlichen Farbanteile aller Wellenlängen des sichtbaren Lichts aufweist, beim Durchqueren des Mediums unterschiedliche Brechungsindizes aufweist. Durch die unterschiedlichen Brechungsindizes werden die unterschiedlichen Farbanteile beim Austreten bzw. Eintreten in das Medium in einem unterschiedlichen Brechungswinkel gebrochen. Hierdurch trennt sich ein gebündelter weißer Lichtstrahl beim Austreten bzw. Eintreten des Mediums in mehrere Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Farbanteilen auf.
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Unter einem Medium mit einer geringen chromatischen Dispersion kann im Sinne der Erfindung verstanden werden, dass die Brechungsindizes für die einzelnen Farbanteile eines weißen Lichtstrahls möglichst gleich sind. Beispielsweise kann eine geringe chromatische Dispersion derart verstanden werden, dass ein Brechungsindexunterschied Δn zwischen den Brechungsindizes der einzelnen Farbanteile, möglichst kleiner als 0,25, vorzugsweise kleiner als 0,1, besonders bevorzugt kleiner als 0,05, sein kann.
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Insbesondere ist die optische Sensoranordnung zur Anwendung für ein Kraftfahrzeug ausgebildet. In diesem Fall ist der optische Sensor im Fahrzeuginnenraum angeordnet. Bei der ersten Seite der Scheibe, insbesondere der Fahrzeugscheibe, handelt es sich dabei um die zum Fahrzeuginnenraum weisende Seite der Scheibe. Die zweite Seite der Scheibe ist die äußere Seite der Scheibe, insbesondere der Fahrzeugscheibe, durch die ein zu detektierender Strahl zunächst in die Fahrzeugscheibe eintritt.
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Ein wesentlicher Punkt der Erfindung besteht darin, dass die Strahlenführungseinheit im Zusammenhang mit einer niedrigen chromatischen Dispersion steht. Dies kann durch die geeignete Auswahl des Materials der Strahlführungseinheit und/oder durch geeignete konstruktive Maßnahmen realisiert werden.
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Dabei bleibt ein Strahlablenkungswinkel von mindestens 10° einstellbar, wodurch die Anordnung und die Abmessungen des optischen Sensors nicht eingeschränkt werden. Der Strahlablenkungswinkel der Strahlenführungseinheit kann vorzugsweise mindestens 20°, besonders bevorzugt mindestens 30°, betragen.
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Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung ist der optische Sensor eine Kamera, da Kameras preisgünstige optische Sensoren sind, die durch ihre kompakte Bauart einfach in einen Fahrzeuginnenraum integriert werden können.
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Des Weiteren ist es möglich, dass die Strahlführungseinheit zumindest teilweise in die Scheibe, insbesondere in die Fahrzeugscheibe, integriert ist. Dadurch können die Abmessungen der optischen Sensoranordnung kompakt gestaltet werden. Des Weiteren entfallen somit aufwendige Arbeitsschritte bei der Herstellung der optischen Sensoranordnung, sodass die Herstellungskosten reduziert werden können.
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Die Strahlführungseinheit kann eine Anordnung aus zwei Prismen aufweisen, insbesondere aus zwei Prismen bestehen, wodurch mehrere Einstellparameter vorhanden sind, sodass es möglich ist den Strahlablenkungswinkel bedarfsgerecht einzustellen.
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Insbesondere ist die Strahlführungseinheit derart konstruiert, dass ein in Strahlführungsrichtung erstes angeordnetes optisches Element, das aus einem Material mit einer Abbe-Zahl von mindestens 50 gebildet ist, vor einem zweiten optischen Element, das aus einem Material mit einer Abbe-Zahl von höchstens 50 gebildet ist, angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Strahlführungseinheit derart konstruiert, dass in Strahlführungsrichtung ein Kronglas vor einem Flintglas angeordnet ist.
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Als Strahlführungsrichtung sind die Richtung bzw. der zurückgelegte Weg des zunächst in die Scheibe und anschließend in die Strahlführungseinheit eintretenden Strahls zu verstehen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, besteht die Strahlführungsrichtung aus einem ersten Prisma, das aus Kronglas gebildet ist, und aus einem zweiten Prisma, das aus Flintglas gebildet ist. Das erste Prisma ist dabei der Scheibe, insbesondere der Fahrzeugscheibe, zugeordnet. Insbesondere liegt das erste Prisma an der ersten Seite der Scheibe, insbesondere der Fahrzeugscheibe, an oder ist an dieser ersten Seite mit der Scheibe verbunden.
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Dadurch wird es ermöglicht den Strahlablenkungswinkel mit Hilfe des ersten optischen Elements einzustellen und die durch die chromatische Dispersion auftretende Strahlentrennung mit Hilfe des zweiten optischen Elements zu korrigieren.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Strahlführungseinheit lediglich ein Prisma auf, das aus einem Material gebildet ist, das eine Abbe-Zahl von mindestens 80 aufweist. Vorzugsweise kann das Material eine Abbe-Zahl von mindestens 90, besonders bevorzugt von mindestens 95, aufweisen.
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Insbesondere kann die Strahlführungseinheit zumindest teilweise aus XLD®(Extra Low Dispersion)-Glas, vorzugsweise teilweise aus Fluorit-Kronglas, vorzugsweise teilweise aus Magnesiumfluorid (MgF2)-Kronglas, hergestellt sein. Insbesondere ist die Strahlführungseinheit aus einem Prisma gebildet, das aus einem XLD®-Glas hergestellt ist.
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Dadurch wird direkt verhindert, dass die verschiedenen Farbanteile eines einfallenden Lichtstrahls unterschiedlich gebrochen werden und sich der Lichtstrahl aufspaltet.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen oder der Kombination selbiger.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
- 1A eine Seitenansicht auf eine Kameraanordnung für ein Fahrzeug, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist;
- 1B eine Seitenansicht auf eine Kameraanordnung für ein Fahrzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform des Standes der Technik;
- 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Sensoranordnung;
- 3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsmäßigen optischen Sensoranordnung.
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In 2 ist eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsmäßigen optischen Sensoranordnung 1 dargestellt. Die Sensoranordnung 1 umfasst eine Kamera (nicht dargestellt) und eine Strahlführungseinheit 4. Diese beiden Bauteile sind beispielsweise in einem Fahrzeuginnenraum angeordnet.
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Die Strahlführungseinheit 4 ist aus zwei Prismen gebildet. Ein erstes Prisma 41 ist aus Kronglas gebildet. Ein zweites Prisma 42 ist aus Flintglas gebildet. Das erste Prisma 41 liegt auf einer ersten Seite 8 der Scheibe 2, insbesondere der Fahrzeugscheibe, an. Die erste Seite 8 der Scheibe 2 weist beispielsweise in Richtung eines Fahrzeuginnenraums. Die zweite Seite 9 der Scheibe 2 ist als äußere Seite oder Außenseite der Scheibe 2 zu bezeichnen.
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Die Linie 7 zeigt den zunächst in die Scheibe 2 eintretenden Strahl, der anschließend von der Strahlführungseinheit 4 abgelenkt wird. Es ist zu erkennen, dass der Strahlablenkungswinkel der Strahlführungseinheit größer als 10 ° ist.
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In 3 wird eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Sensoranordnung 1 schematisch dargestellt. Die Strahlführungseinheit 4 ist in dieser Ausführungsform aus lediglich einem Prisma 45 gebildet, das aus einem sogenannten XLD®-Glas gebildet ist. Mit Hilfe eines derartigen Materials wird es ermöglicht, eine Strahlführungseinheit 4 mit einer niedrigen chromatischen Dispersion zur Verfügung zu stellen, wobei ein Strahlablenkungswinkel von mindestens 10° einstellbar ist. Die Größe des Kamerafensters bleibt in vorteilhafter Weise gegenüber dem Stand der Technik (1A) verkleinert.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details als erfindungswesentlich beansprucht werden, Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optische Sensoranordnung
- 2
- Fahrzeugscheibe
- 3
- optischer Sensor (Kamera)
- 4
- Strahlführungseinheit
- 7
- einfallender Lichtstrahl
- 8
- erste Seite der Scheibe
- 9
- zweite Seite der Scheibe
- 41
- Prisma aus Flintglas
- 42
- Prisma aus Kronglas
- 45
- Prisma mit niedriger chromatischer Dispersion
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011009075 A1 [0004]
- US 7322755 B2 [0008]
- WO 2009/147223 A2 [0009]
